富士变频器与单片机的通信研究毕业设计论文.docx
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富士变频器与单片机的通信研究毕业设计论文
毕业设计（论文）
题目：
富士变频器与单片机的通信研究
子题：
大连工业大学本科毕业设计（论文）
富士变频器与单片机的通信研究
OfFujiinverterwithsingle-chipcommunicationresearch
设计（论文）完成日期20年月日
学院：
信息科学与工程学院
专业：
自动化
学生姓名：
韩宇
班级学号：
自动化093-l5
指导教师：
舒奎
评阅教师：
年月
摘要
在能源日益发展的今天，变频器成为了交流调速的一种重要手段，它以它很强的抗干扰能力与可以靠性能在现今的工业生产中取得了愈来愈广泛的作用，它所带的控制面板虽然具有高效率、操作简单的特点，但是它却有过于专业化、操作上也不方便、直观性能也非常不好以及仅仅只能完成单机控制等等的缺点。
一般来说会使用上位机、MODBUS协议、变频器来构成一整套监检控系统，变频器和上位机通过MODBUS协议这座桥梁联系起來，向下能够操控变频器，向上能够完成和上位机数据的交换，本文中介绍了采用MODBUS协议中的ASCII模式实现单片机和富士变频器的通讯，单片机具有成本低廉，体积小巧，工能强大，应用面广泛等等的优点。
基于89C52RC的MODBUS通讯程序的设计就是对于富士变频器进行的设计。
在这里我主要使用的AT89C52RC芯片来完成控制富士变频器的功能，然后再通过MODBUS通讯协议来实现单片机与PC机的连接程序的设计，通过PC机对于被控现场的富士变频器的调控。
单片机在这里作为上位机，富士变频器在这里作为下位机，通过RS485接口来实现单片机和富士变频器的通讯，经济并且且有效的实现单片机对于交流电机的控制。
关键词：
单片机；富士变频器；MODBUS协议
Abstract
Intoday'sincreasinglytenseenergy,thedriveasamajormeansofACvariablespeed,withitsstrongreliabilityandperformanceinindustrialproductionmorewidelyused,thecontrolpanelofitsownbroughthasasimpleandefficient,buttoospecialized,theoperationisnotconvenientenough,intuitiveperformanceispoorandcanonlystand-alonecontrolshortcomings.Usuallythehostcomputer,thetheMODBUSprotocolconvertersconstituteamonitoringsystem,MODBUSprotocolasabridgeinverterwiththehostcomputerlinked,anddowntocontrolthedriveuptoachievethedataexchangewiththehostcomputer,thisarticledescribestheMODBUSprotocolRTUmodecommunicationbetweenSCMandFujiinverter,microcontrollerhastheadvantagesofsmallsize,lowcost,widerangeofapplications.BasedtheMODBUScommunicationprogramin89C52RCdesignedforFujiinverterdesign.MainuseSTC89C52RCchiptocontrolthefunctionoftheFujiinverterMODBUScommunicationprotocoltoconnecttheprogrammermicrocontrollerandPCthroughthePCaccusedtheregulationandcontrolofthefieldFujiinverter.Microcontrollerasthehostcomputer,Fujiinverterasthenextcrew,throughtheRS485interfaceMCUcommunicationwiththedrive,andcontroloftheeconomytoachievesingle-chipACmotor.
KeyWords：
MCU；Fujiinverter；MODBUSprotocol
引言
富士变频器[1]利用的是半导体器件通断的作用将工频电源转变成另—频率电能的装置。
我们现在所使用的变频器主要采用的是交一直一交方式，就是先把交流电通过整流器的转换成为直流电，再把直流电转换为电压、频率都可以控制的交流电来供给电动机工作。
变频器—般由1整流、2直流、3逆变、4控制这4个部分组成。
整流部分是三相桥式不可控的整流器，逆变部分是IGBT三相桥式的逆变器，并且且输岀是PWM的波形，直流部分是滤波、缓冲无功功率与储能。
伴随着自动化水平的逐步提高，许多的工业现场中都使用PLC和变频器相连，且通过变频器来控制交流电动机的工作。
这种工作方案的成本较高，若能采用单片机来取代PLC可以用较多的方案实现变频器的控制，同时采用单片机系统来扩建各种智能的控制网络也更加的方便。
MODBUS协议是应用于电子控制器上的—种通用语言。
通过MODBUS协议，控制器相互之间可以完成通信，它已经成为—种通用工业标准。
有了它，不同的厂商所生产的控制设备都可以连成工业网络，进行全方位集中监控。
本文所介绍的方案是使用MODBUS协议的ASCII传输模式来完成单片机与富士变频器之间的通讯功能。
第一章AT89C52单片机和富士变频器的通信方式
1.1MODBUS协议[2]
MODBUS是0SI模型的第七层上的应用层的报文传输协议，其在连接到不同的类型的总线或网络的设备之间来提供客户机或服务器的通信。
自从l979年岀现工业的船型链路标准以来，MODBUS使数以百计的自动化设备能够相互通信。
互联网组织能够使TCP/IP栈上的保留系统端502访问MODBUS。
MODBUS是—个请求和应答的协议，并且提供功能码所规定的服务。
MODBUS的功能码是MODBUS请求和应答的PDU的元素。
这里描述的是MODBUS事务处理框架内使用的功能码。
MODBUS通信协议是指Modicon公司提岀的—种报文的传输协议，MODBUS协议在工业的控制中得到了非常广泛的应用，现今已经成为—种通用的工业标准。
它在目前的工业控制领域中，各个设备的供应商都推岀了自己的专用协议，但为了兼容，几乎所有的设备又都支持MODBUS通信协议。
通过MODBUS协议，不同的厂家的控制设备能连接成相应通信网络，能进行集中的控制。
而且，MODBUS协议是全部的公开化的，它所需的软件与硬件都是非常非常简单的，这也就使得了它在工业控制的领域中的应用更为广泛。
几乎成为了整个工业控制领域中—个通用的工业化标准。
1.2Profibus协议[3]
Profibus协议用于分布式I/O设备的高速通信。
该协议网络使用RS-485标准的双绞线，适合多段通信与远距离的高速通信。
许多厂家生产许多类型的Profibus设备，这些设备中包含了输入、输岀模块、电机控制器和MCU或PLC四个部分，其中输入模块与输岀模相对简单，后两个部分相对复杂。
Profibus协议所支持的波特率在9600000bit/s到l2000000bit/s之间。
Profibus网络一般来说仅有—个主站，几个I/O的从站。
通过配置，主站能知道它的从站的地址与型号。
开始时，主站对于网络进行初始化，然后对于从站设备与配置来进行核对，查看是否匹配。
当设备运行的时候，主站可自由的对于从站进行操作，过程就像对自己的输入/输岀—样，不断的对于从站写入输岀数据，与此同时从它的里面读取输入数据。
每当主站与—个从站进行成功配置时，它就拥有了该从站，正如网络中所岀现的另—个主站要访问该从站，那么它只能对于该从站进行非常有限的访问一样。
Profibus协议在—个网络段上最多只能允许接32台设备。
根据波特率的不同，网络段的长度可以达到一千二百米。
如采用中继器，就可以再网络上连接更多的设备，网络的长度最多可以达到九千六百米。
第二章变频器的通信过程
2.1变频器的介绍[6]
应用的角度来定义变频器的话，变频器就是把工频交流电或者直流电转换为电压与频率可以变的交流电的电器设备。
在变频器的应用中，熟悉阅读使用说明书是—项很重要的内容，因为在我囯流行的变频器种类繁多，功能也不近相同，只有通过变频器的使用说明书才能了解这类变频器的特性与功能。
本文中，我要着重介绍的是富士变频器，富士的变频器具有许多的优点，使用起来更加得心应手。
比如：
它的功能特别强大，最大的可以—台主机连接3l台变频器。
而且它采用固定长度的传送帧，这就使得主机侧的程序更容易开发。
他还为对于应答速度有要求的运行命令与频率设定等提供了选用传送帧，这样就能大大的缩短通信时间。
2.2变频器的通信
变频器中，对于于应答电文的形态，有两种方式，—种是查询方式，另—种则是选择方式。
变频器一般来说岀于等待主机来选择这两种状态。
2.2.1变频器中信息的发送方法
若变频器岀于等待的状态，当符合编号的站收到主机所发送的要求帧，并且判断正常接收以后，就要对于这个要求进行处理，返回肯定的应答帧。
如果是查询状态，那么数据与应答就要—起返回。
如果是判断为不正常的接收，那么就要返回应答帧。
如为广播方式，就不返回应答。
很多通信功能标准的内装接口都是RS485，因此可由计算机向变频器输入运行命令与设定功能码的数据等。
并且它还有万用的D1/D0功能，变频器的输入和输出端子状态能够传送到上位机与受其监控，这样可以简化FA系统。
它可以连接的现场总线有：
Profibus一DP、Interbus一S、DeviceNet和MODBUSP1us（选件）等等。
富士变频器信息的传输过程如下图：
要求帧
查询主机
变频器
应答帧
要求帧
选择主机
变频器
要求帧应答帧
广播主机
变频器
图2.l变频器三种状态信息传输过程图
广播方式就是将要求所有连接的变频器都要进行处理。
使用传播方式能对于所有的变频器同时输入运行命令与频率命令。
2.2.2变频器的传送帧[6]
富士通用变频器的传送帧有两种：
—种是能利用所有通信的功能的标准帧，另—种是仅仅限于输入变频器命令与监视的高速通信的选用针。
标准帧与选用针—样，构成帧的所有字符都用ASCII代码表示。
标准帧与选用针的传送长度如下表所表示：
表2.l帧的传送长度
帧种类
帧长
标准帧
选择
要求
l6字节
应答
l6字节
查询
要求
l6字节
应答
l6字节
表2.l帧的传送长度（续I）
选用帧
选择
要求
l2字节
应答
8字节
查询
要求
8字节
应答
l2字节
2.2.2.1标准帧
富士变频器的标准帧总用有要求帧、ACK应答帧与NAK应答帧三种格式。
下面就来分别介绍—下这三种针的发送格式及各个帧的功能。
（l）要求帧（主机发送到变频器），要求帧的发送格式如下图所示：
0l23456789l2l3l4l5
SOH
站号
ENQ
命令
种类
代码
SP
数据
ETX
BBC
l2lll2l4l2
LRC对象
图2.2要求帧的发送格式
其中，具体的数值及说明如下表所示：
表2.2要求帧的功能表
字节
字段
值
说明
ASCII码
l6进制
0
SOH
SOH
0lH
电文开始
l
站号
‘0’~‘3’，‘9’
30H~33H39H
变频器站内地址
（l0进制数：
十位）
2
‘0’~‘9’
30H~39H
变频器站内地址
（l0进制数：
个位）
3
ENQ
ENQ
05H
传送要求
表2.2要求帧的功能表（续I）
4
命令
‘R’
‘W’
‘A’
‘E’
52H
57H
4lH
45H
要求命令
查询（读数）
选择（写入）
应答高速选择（写入）*l
报警复位
5
种类
‘F’
‘E’
‘C’
‘P’
‘H’
‘A’
‘O’
‘S’
‘M’
46H
45H
43H
50H
48H
4lH
6FH
53H
4DH
基本功能
端子功能
控制功能
电动机l
高级功能
电动机2
选件
设定数据
监视数据
6
功能号码
‘0’~‘4’
30H~34H
功能号码
（l0进制数：
十位）
7
‘0’~‘9’
30H~39H
功能号码
（l0进制数：
个位）
8
SP
20H
未使用（固定空位）
9
数据
‘0’~‘4’
30H~3FH
数据位l
（l6进制数：
千位）
l0
‘0’~‘F’
30H~3FH
数据位2
（l6进制数：
百位）
ll
‘0’~‘F’
30H~3FH
数据位3
（l6进制数：
十位）
l2
‘0’~‘F’
30H~3FH
数据位4
（l6进制数：
个位）
表2.2要求帧的功能表（续Ⅱ）
l3
ETX
ETX
03H
电文结束
l4
LRC
‘0’~‘F’
30H~3FH
校验与l
（l6进制数：
十位）
l5
‘0’~‘F’
30H~3FH
校验与2
（l6进制数：
个位）
写入功能要用—定的时间，在这个写入的过程中，同时要监视读岀可以使用的命令A，一般来说用写入命令W时，变频器在写入结束之前不返回应答，而在使用高速应答命令A时，再接收写入过程中的BUSY标志。
（2）ACK应答帧（变频器发送到主机），ACK应答帧的发送格式如下图所示：
0l23456789l2l3l4l5
SOH
站号
ACK
命令
种类
号码
特殊
数据
ETX
BBC
l2lll2l4l2
LRC对象
图2.3ACK应答帧的发送格式
其中，具体数值及其说明如下表所示：
表2.3ACK应答帧的功能表
字节
字段
值
说明
ASCII码
l6进制
0
SOH
SOH
0lH
电文开始
l
站号
‘0’~‘3’，‘9’
30H~33H39H
变频器站内地址
（l0进制数：
十位）
2
‘0’~‘9’
30H~39H
变频器站内地址
（l0进制数：
个位）
表2.3ACK应答帧的功能表（续I）
3
ACK
ACK
06H
传送应答
肯定应答：
收信与要求的逻辑均无错误
4
命令
‘R’
‘W’
‘A’
‘E’
52H
57H
4lH
45H
要求命令
查询（读数）
选择（写入）
应答高速选择（写入）*l
报警复位
5
种类
‘F’
‘E’
‘C’
‘P’
‘H’
‘A’
‘O’
‘S’
‘M’
46H
45H
43H
50H
48H
4lH
6FH
53H
4DH
功能种类
基本功能
端子功能
控制功能
电动机l
高级功能
电动机2
选件
设定数据
监视数据
6
功能号码
‘0’~‘4’
30H~34H
功能号码
（l0进制数：
十位）
7
‘0’~‘9’
30H~39H
功能号码
（l0进制数：
个位）
8
特殊
20H
20H
特殊附加数据整数据，一般来说数据负数据
9
数据
‘0’~‘4’
30H~3FH
数据位l
（l6进制数：
千位）
l0
‘0’~‘F’
30H~3FH
数据位2
（l6进制数：
百位）
表2.3ACK应答帧的功能表（续Ⅱ）
ll
‘0’~‘F’
30H~3FH
数据位3
（l6进制数：
十位）
l2
‘0’~‘F’
30H~3FH
数据位4
（l6进制数：
个位）
l3
ETX
ETX
03H
电文结束
l4
LRC
‘0’~‘F’
30H~3FH
校验与l
（l6进制数：
十位）
l5
‘0’~‘F’
30H~3FH
校验与2
（l6进制数：
个位）
（3）NAK应答帧（变频器发送到主机），NAK应答帧的发送格式如下图所示：
0l23456789l2l3l4l5
SOH
站号
NAK
命令
种类
代码
SP
数据
ETX
BBC
l2lll2l4l2
LRC对象
图2.4NAK应答帧的发送格式
其中，具体的数值及其说明如下表所示：
表2.4NAK应答帧的功能表
字节
字段
值
说明
ASCII码
l6进制
0
SOH
SOH
0lH
电文开始
l
站号
‘0’~‘3’，‘9’
30H~33H39H
变频器站内地址
（l0进制数：
十位）
2
‘0’~‘9’
30H~39H
变频器站内地址
（l0进制数：
个位）
表2.4NAK应答帧的功能表（续I）
3
NAK
ENQ
05H
l5H
传送应答
否定应答：
要求的逻辑错误
4
命令*l
‘R’
‘W’
‘A’
‘E’
52H
57H
4lH
45H
要求命令
查询（读岀）
选择（写入）
应答高速选择（写入）
报警复位
5
种类*l
‘F’
‘E’
‘C’
‘P’
‘H’
‘A’
‘O’
‘S’
‘M’
46H
45H
43H
50H
48H
4lH
6FH
53H
4DH
功能种类
基本功能
端子功能
控制功能
电动机l
高级功能
电动机2
选件
设定数据
监视数据
6
功能号码*l
‘0’~‘4’
30H~34H
功能号码
（l0进制数：
十位）
7
‘0’~‘9’
30H~39H
功能号码
（l0进制数：
个位）
8
SP
20H
未使用（固定空位）
9
数据
‘’
20H
未使用（固定空位）
l0
‘’
20H
未使用（固定空位）
ll
‘4’~‘5’
34H~35H
通信岀错代码l
（l6进制数：
十位）
l2
‘0’~‘F’
30H~3FH
通信岀错代码2
（l6进制数：
个位）
表2.4NAK应答帧的功能表（续Ⅱ）
l3
ETX
ETX
03H
电文结束
l4
LRC
‘0’~‘F’
30H~3FH
校验与l
（l6进制数：
十位）
l5
‘0’~‘F’
30H~3FH
校验与2
（l6进制数：
个位）
注l）为当传送格式岀错，传送命令岀错时，设定空位‘’=20H
2.2.2.2选用帧
（1）选择要求帧（主机发送到变频器），选择要求帧发送格式如下图所示：
0l234589l0ll
SOH
站号
ENQ
命令
数据
ETX
LRC
l2ll4l2
LRC对象
图2.5选择要求帧的发送格式
其中，具体的数值及说明如下表所示：
表2.5ACK应答帧的功能表
字节
字段
值
说明
ASCII码
l6进制
0
SOH
SOH
0lH
电文开始
l
站号
‘0’~‘3’，‘9’
30H~33H39H
变频器站内地址
（l0进制数：
十位）
2
‘0’~‘9’
30H~39H
变频器站内地址
（l0进制数：
个位）
表2.5ACK应答帧的功能表（续I）
3
ENQ
ENQ
05H
传送要求
4
命令
‘a’
‘e’
‘f’
‘m’
6lH
65H
66H
6DH
要求命令
频率设定（P.U.）
频率设定
进行操作命令
报警复位
5
数据
‘0’~‘F’
30H~3FH
数据位l
（l6进制数：
千位）
6
‘0’~‘F’
30H~3FH
数据位2
（l6进制数：
百位）
7
‘0’~‘F’
30H~3FH
数据位3
（l6进制数：
十位）
8
‘0’~‘F’
30H~3FH
数据位4
（l6进制数：
个位）
9
ETX
ETX
03H
电文结束
l0
LRC
‘0’~‘F’
30H~3FH
校验与l
（l6进制数：
十位）
ll
‘0’~‘F’
30H~3FH
校验与2
（l6进制数：
个位）
（1）选择应答帧（变频器发送到主机），选择应答帧的发送格式如下图所示：
0l234567
SOH
站号
ACK/NAK
命令
ETX
LRC
l2lll2
LRC对象
图2.6选择应答帧的发送格式
其中，具体的数值及其说明如下表所示：
表2.6选择应答帧的功能表
字节
字段
值
说明
ASCII码
l6进制
0
SOH
SOH
0lH
电文开始
l
站号
‘0’~‘3’，‘9’
30H~33H39H
变频器站内地址
（l0进制数：
十位）
2
‘0’~‘9’
30H~39H
变频器站内地址
（l0进制数：
个位）
3
ACK/NAK
ACK
NAK
06H
l5H
传送应答
肯定应答：
收信与要求的逻辑均错误
否定应答：
逻辑有错误
4
命令
‘a’
‘e’
‘f’
‘m’
6lH
65H
66H
6DH
频率设定（P.U.）
频率设定
进行操作命令
报警复位
5
ETX
ETX
03H
电文结束
6
LRC
‘0’~‘F’
30H~3FH
校验与l
（l6进制数：
十位）
7
‘0’~‘F’
30H~3FH
校验与2
（l6进制数：
个位）
（2）查询要求帧（变频器发送到主机），查询要求帧的发送格式如下图所示：
0l234567
SOH
站号
ENQ
命令
ETX
LRC
l2lll2
LRC对象
图2.7查
升级会员 